用于运行燃料电池系统的方法和燃料电池系统与流程

背景技术：

0、现有技术

1、已经提出用于运行燃料电池系统、尤其是高温燃料电池系统的方法，其中，在至少一个方法步骤中，将含氧流体输送通过燃料电池系统的至少一个燃料电池单元，用于与燃料进行转化，其中，根据燃料电池系统的功率平衡设定含氧流体的流动参数。

技术实现思路

1、本发明从一种用于运行燃料电池系统、尤其是高温燃料电池系统的方法出发，其中，在该方法的至少一个方法步骤中，将含氧流体输送通过燃料电池系统的至少一个燃料电池单元，用于与燃料进行转化，其中，根据燃料电池系统的功率平衡设定含氧流体的流动参数。

2、提出，在至少一个方法步骤中，在燃料电池系统的负载变化的情况下，取代功率部分地由燃料电池系统的在燃料电池系统的稳态状态中求取出的运行特征值平衡。优选地，燃料电池系统包括至少一个流体输送单元，所述流体输送单元例如是风扇、鼓风机、泵或者压缩机，用于将含氧流体输送通过燃料电池单元。

3、优选地，燃料电池系统包括至少一个控制或调节单元，用于借助流体输送单元设定、尤其是调节流动参数。含氧流体优选是空气、尤其是被抽吸的环境空气，替代地是工业气体，该工业气体至少部分地、尤其大多数地由氧气组成。尤其是，含氧流体设置为用于在供应燃料的情况下被燃料电池单元转化，以便产生电能。燃料电池单元包括至少一个燃料电池、尤其是至少一个高温燃料电池、例如至少一个熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)和/或至少一个固体氧化物燃料电池(sofc)。优选地，燃料电池单元包括多个燃料电池，所述燃料电池优选布置在至少一个堆垛中。

4、优选地，控制或调节单元对功率平衡进行分析处理，以便设定流动参数。流动参数例如是体积流、物质流、质量流、微粒流或者类似物。优选地，功率平衡将朝向和来自燃料电池单元的能量流相加，使得尤其除了误差项之外，这些能量流得出零。优选地，误差项小于功率平衡的在量值方面最大的项的20％、优选小于10％、特别优选小于5％。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述由于通过燃料电池单元的物质运输而产生的能量流，该能量流例如呈由燃料、由含氧流体和/或由废气承载的摩尔含流的形式。特别优选地，该功率平衡与含氧流体的流动参数相关。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述由进入到燃料电池单元中的含氧流体承载的能量流。在燃料电池单元中，含氧流体优选被转化为贫氧的、尤其是相对于含氧流体贫氧的废气。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述由从燃料电池单元中流出的贫氧废气承载的能量流。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述由进入到燃料电池单元中的燃料承载的能量流。在燃料电池单元中，燃料优选被转化为贫燃料的、尤其是相对于燃料贫燃料的废气。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述由从燃料电池单元中流出的贫燃料废气承载的能量流。优选地，该功率平衡包括如下项：所述项包括由燃料电池单元提供的电功率。可选地，该功率平衡包括如下项：所述项描述燃料电池单元的热损耗、尤其是通过热传导和/或热辐射产生的热损耗。替代地，将热损耗添加到误差项上。优选地，将误差项设为恒定值，该恒定值尤其等于零或者等于在该方法的前置阶段中求取出的值。优选地，控制或调节单元借助能量平衡求取预控制值，用于设定流动参数。优选地，控制或调节单元借助对流动参数的调节来补偿功率平衡的由于误差项造成的不准确性，该不准确性被叠加到预控制值上。

5、在稳态状态中，由燃料电池单元提供的电功率、燃料电池系统的温度、含氧流体的和/或燃料的气体特性和/或燃料电池系统的其他运行参数，尤其至少在控制或调节单元的调节精度内，是恒定的。在负载变化的情况下，例如由燃料电池单元截取的电功率发生变化。优选地，该方法设置为用于，使流动参数匹配于负载变化。特别优选地，该方法设置为用于，在快速的负载变化的情况下匹配流动参数。在快速的负载变化的情况下，燃料电池系统的温度、含氧流体的和/或燃料的气体特性尤其至少在控制或调节单元的调节精度内保持恒定。优选地，在负载变化的情况下，控制或调节单元借助能量平衡更新预控制值，用于设定流动参数。

6、优选地，运行特征值是如下数值或者参量：控制或调节单元在稳态运行状态中通过对功率平衡的部分分析处理求取所述数值或者参量并且将所述数值或者参量保存在该控制或调节单元的存储器中。优选地，在该方法的至少一个方法步骤中，在负载变化的情况下，控制或调节单元通过使用该运行特征值对功率平衡的缩短的形式进行分析处理。在负载变化方面，功率平衡尤其包括动态参量和准恒定参量。优选地，与动态参量相比，准恒定参量具有更小的、优选以大于5倍的程度、优选以大于10倍的程度更小的时间导数。尤其是，由燃料电池单元产生的电流和/或含氧流体的流动参数是与负载变化有关的动态参量。例如，燃料的组成成分、燃料在进入到燃料电池单元中时的燃料电极输入温度、燃料电池单元的燃料电池温度和/或燃料电池单元的燃料利用率是与负载变化有关的准恒定参量。优选地，该运行特征值包括准恒定参量中的一个或者特别优选多个准恒定参量。尤其是，该运行特征值将多个准恒定参量汇总成用于至少一个动态参量的比例因数。控制或调节单元可以通过对被汇总在运行特征值中的准恒定参量进行分析处理和/或通过对通过运行特征值关联的动态参量进行分析处理求取该运行特征值。

7、优选地，控制或调节单元有规律地和/或与动机有关地在求取流动参数之前检查所存储的运行特征值是否仍然有效。如果该运行特征值不再有效，尤其是如果被假定为准恒定的参量变化大于公差值，则控制或调节单元优选在不使用运行特征值的情况下对功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式进行分析处理。优选地，功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式包括与被汇总在运行特征数中的至少一个参量、尤其是所有参量的明确的相关性。优选地，控制或调节单元至少在对功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式进行分析处理之后更新该运行特征值的所存储的值。

8、通过根据本发明的构型，可以提供有利地稳健的和/或有利地简单的方法，借助该方法，可以有利地精确地求取含氧流体的流动参数的必要的值。此外，可以实现借助该方法运行的燃料电池系统的有利地高的动态范围。

9、此外提出，该运行特征值在负载变化的情况下消除功率平衡的至少两个未知量。所述未知量可以是与时间相关的参量和/或未知常数，例如是燃料的组成成分。优选地，运行特征值包括至少两个准恒定参量作为功率平衡的未知量。在借助运行特征值求取流动参数时，控制或调节单元使用该运行特征值的所存储的值，而非未知量。尤其是，控制或调节单元对用于流动参数的计算规则进行分析处理，该流动参数与被消除的未知量无关。优选地，在在不使用运行特征值的情况下对功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式进行分析处理时，控制或调节单元求取能够通过该运行特征值被消除的未知量，以便求取流动参数。通过根据本发明的构型，有利地，较少的参量需要被分析处理的或者被检测。尤其是，可以有利地快速地或者以有利的低的计算功率和/或以有利的少的存储需求求取流动参数。

10、另外提出，运行特征值将流动参数与燃料的燃料电极输入温度的相关性、与至少一个燃料电池单元的燃料电池温度的相关性、与燃料的氢碳比的相关性、与燃料在进入到至少一个燃料电池单元中时的氧碳比的相关性和/或与至少一个燃料电池单元的燃料利用率的相关性汇总。尤其是，燃料的燃料电极输入温度是燃料在进入到燃料电池单元中时的温度。优选地，运行特征值是燃料电池单元的热中性的电压。运行特征值尤其表示燃料的焓变化与如下电子的数量的比例：在燃料电池单元中借助氧气转化燃料时，所述电子被结合。通过根据本发明的构型，用于确定流动参数的计算规则可以有利地保持得紧凑。尤其是，流动参数的必要的值与燃料的相关性可以被汇总在运行特征值中。

11、另外提出，将运行特征值求取为滑动平均值。优选地，以有规律的时间间距和/或以通过获得燃料电池系统的传感器单元的传感器信号被触发的方式，控制或调节单元在稳态运行状态中求取该运行特征值的值。优选地，控制或调节单元存储该运行特征值的多个值。优选地，控制或调节单元在借助运行特征值求取流动参数时使用该运行特征值的所存储的值的平均值。该平均值可以是算术平均值或者几何平均值以及可以是经加权的或者未经加权的。优选地，当控制或调节单元由于准恒定参量的变化而对功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式进行分析处理以便求取流动参数时，控制或调节单元删除所存储的所有值。通过根据本发明的构型，可以使用运行特征值的如下值：该值有利地不受燃料电池系统的运行参数的波动影响。

12、此外提出，在该方法的至少一个方法步骤中，在借助运行特征值求取流动参数时，根据至少一个燃料电池单元的燃料电池温度的、尤其是已经提到的燃料电池温度的额定值求取所述流动参数。例如，功率平衡的如下项与燃料电池温度相关：所述项描述由从燃料电池单元中流出的贫氧废气承载的能量流。燃料电池温度的实际值可以在燃料电池单元上和/或中被检测或者根据在燃料电池单元的下游的贫氧废气方面被检测到的温度测量值被估计。通过根据本发明的构型，可以通过含氧流体的流动参数设定、尤其是调节该燃料电池单元的燃料电池温度。

13、另外提出，在至少一个方法步骤中，在负载变化的情况下将运行特征值保持恒定。优选地，在负载变化的持续时间内将运行特征值保持恒定。尤其是，在负载变化期间，不求取运行特征值的新的值。优选地，在负载变化的情况下，控制或调节单元检查，该运行特征值、尤其是该运行特征值的最后被求取的值或者该运行特征值的滑动平均值是否适合用于在负载变化期间和/或在燃料电池系统的负载的新的值的情况下描述该燃料电池系统。例如，控制或调节单元检查，该运行特征值是否处在预给定的公差带内，该公差带保存在控制或调节单元的存储器中。该公差带的最大值和/或最小值可以是单个值和/或特性曲线，该特性曲线例如与借助传感器单元检测到的参量、与能够由控制或调节单元设定的参量的实际值和/或额定值和/或与负载或者负载变化、尤其是电流相关。优选地，控制或调节单元在负载变化期间和/或之后根据运行特征值、尤其是被评价为适合的运行特征值求取含氧流体的流动参数。如果控制或调节单元将该运行特征值评价为不适合，则控制或调节单元优选地对功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式进行分析处理，以便在负载变化期间和/或在新的值的情况下求取流动参数。通过根据本发明的构型，可以进一步提高该方法的稳健性。尤其是，可以有利地将在负载变化期间对流动参数的调节的不稳定性的风险保持得低。

14、除此之外提出，在至少一个方法步骤中，在负载变化的情况下根据该负载变化改变该运行特征值。优选地，在负载变化之后，在新的负载的情况下达到稳态状态时，更新该运行特征值。优选地，从在新的负载的情况下达到稳态状态起，多次、尤其是有规律地更新运行特征值，尤其是直至下一次负载变化为止。优选地，当、尤其是只有当燃料电池系统处在稳态状态中时，才更新运行特征值。通过根据本发明的构型，可以使运行特征值有利地灵活地匹配于燃料电池系统的不同的运行状态。尤其是，可以省去在执行该方法之前在各种不同运行状态中对运行特征值的预先确定。

15、此外提出，在负载变化的情况下，运行特征值作为燃料的燃料电极输入温度的函数被改变。优选地，控制或调节单元给运行特征值的所存储的值加载校正函数，该校正函数与燃料电极输入温度相关。该校正函数可以是对运行特征值的所存储的值的乘法因数或者加法因数。优选地，该校正函数将与燃料电极输入温度的线性相关性添加到运行特征值上。可选地，该校正函数包括在燃料电极输入温度方面的另外的更高阶的校正项。通过根据本发明的构型，当燃料电极输入温度在负载变化的进程中具有超出用于燃料电极输入温度的变化的公差值的变化时，该运行特征值也可以有利地用于求取流动参数。

16、另外提出，在该方法的至少一个方法步骤中，检测燃料的组成成分的至少一个测量值，根据该测量值求取运行特征值。优选地，在燃料通过该燃料电池系统时，燃料的组成成分发生变化。优选地，进行如下操作、尤其以所述顺序进行如下操作：将在新鲜状态中的燃料、尤其作为天然气馈入到燃料电池系统中，可选地将该燃料脱硫，可选地将该燃料与贫燃料废气混合、优选重整，将该燃料在燃料电池单元中部分地、优选仅部分地氧化成贫燃料废气并且接下来优选借助后燃器完全氧化。优选在燃料电池单元的下游、尤其是在贫燃料废气中检测测量值。替代地，检测、优选在经重整的燃料中检测在燃料电池单元的上游的燃料的组成成分的测量值，或者附加地检测优选在经重整的燃料中检测在燃料电池单元的上游的燃料的组成成分的另外的测量值，该另外的测量值尤其与所述测量值类似。该测量值例如描述在测量值的测量部位处包含在燃料中的一种物质的尤其每单位时间内的浓度、尤其是摩尔浓度、体积份额、质量份额，或者描述在测量值的测量部位处包含在燃料中的两种或者多种物质的浓度比、体积比和/或质量比。特别优选地，该测量值是燃料的燃烧空气比或者与燃烧空气比类似的参量，例如氧气不足、燃料过剩、尤其是可供氧化使用的电子的过剩或者类似物。优选地，在燃料电池系统的稳态运行状态中检测该测量值和/或该另外的测量值。优选地，控制或调节单元根据该测量值和/或该另外的测量值求取运行特征参量。替代地或者附加地，控制或调节单元根据流动参数的实际值求取运行特征参量，尤其是通过逆转用于根据运行特征参量求取流动参数的计算规则。流动参数的实际值由控制或调节单元例如通过功率平衡的扩展的形式、尤其是完整的形式求取。通过根据本发明的构型，在确定运行特征参量方面的不确定性可以有利地保持得小。尤其是，运行特征参量的精度可以保持与在确定流动参数方面的精度无关。

17、此外提出，借助至少一个λ探针检测测量值。特别优选地，借助宽带λ探针、尤其是各一个宽带λ探针检测测量值和/或另外的测量值。优选的，λ探针包括能斯特电池和泵电池，所述能斯特电池和所述泵电池相互串行互连，其中，在两种电池变体之间布置有测量室。该测量室优选被λ探针的陶瓷扩散屏障限界。借助λ探针的加热元件，可选地将λ探针保持在恒定的温度上，尤其使得温度对λ探针的探针信号、尤其是泵电池的泵电流的影响被消除。优选地，λ探针的响应时间小于500ms、优选小于200ms、特别优选地小于100ms。优选地，将能斯特电池的电压信号调节为恒定值、例如450mv，尤其使得在该测量室中存在限定的燃烧空气比、尤其是化学计量的燃烧空气比。优选地，λ探针将泵电池用作调整元件，以便根据测量室中的燃料的组成成分将氧气泵送到测量室中或者从测量室中泵送出来。可选地，λ探针根据泵电池的经设定的泵电流尤其是借助比例因数求取氧气的物质量流。替代地，借助跳跃式λ探针、尤其是各一个跳跃式λ探针检测测量值和/或另外的测量值。替代地，除了燃料电池单元之外的燃料电池、尤其是各一个除了燃料电池单元之外的燃料电池检测测量值和/或另外的测量值，该燃料电池尤其以与λ探针类似的方式被运行。λ探针优选布置在燃料电池单元的燃料入口的上游、尤其是直接布置在燃料电池单元的燃料入口的上游，或者布置在燃料电池单元的废气出口的下游、尤其是直接布置在燃料电池单元的废气出口的下游，贫燃料废气经由该废气出口从燃料电池单元中被排出。特别优选地，燃料电池系统包括在燃料电池单元的下游的λ探针和在燃料电池单元的上游的另外的λ探针。两个对象“直接”布置在彼此的上游或者下游，尤其应被理解为，沿着流动方向在这些对象之间没有布置另外的对象，所述对象改变流动通过所述对象的流体的组成成分，所述对象例如是重整器、后燃器或者类似物。直接布置在彼此的上游或者下游的对象可以彼此物理接触，或者可以彼此间隔开地布置并且例如借助流体线路、分配器板或者类似物在流体技术方面连接。尤其是，沿着流动方向在直接布置在彼此的上游或者下游的对象之间可以布置有另外的对象，所述另外的对象不改变通过所述对象的流体的组成成分，所述另外的对象例如是温度传感器或者类似物。通过根据本发明的构型，可以有利地简单地且成本有利地检测测量值和/或另外的测量值。此外，可以有利地快速地和/或有利地精确地检测测量值和/或另外的测量值。

18、另外提出，根据至少一个测量值、尤其是根据至少一个测量值和/或另外的测量值求取至少大部分可变参量、尤其是所有可变参量，从所述可变参量中求取运行特征值。优选地，控制或调节单元借助测量值的和/或另外的测量值的回归函数求取运行特征值的可变参量中的至少一个可变参量。优选地，该回归函数根据测量值的或者另外的测量值说明由燃料承载的到或者来自燃料电池单元中的能量，所述能量尤其呈摩尔焓的形式。该回归函数可以作为分析表达或者作为表格资料保存在控制或调节单元中。特别优选地，在控制或调节单元中保存有回归函数的函数组，所述回归函数彼此之间的区别尤其在于燃料的燃料电极输入温度或者至少一个燃料电池单元的燃料电池温度作为参数。控制或调节单元优选根据测量值与另外的测量值的差求取燃料电池单元的燃料利用率，用于求取运行特征值。当测量值或者另外的测量值描述氧气不足，则控制或调节单元优选通过相关性函数根据测量值和/或另外的测量值求取在燃料中的可供使用的电子的数量，用于求取运行特征值。优选地，相关性函数将测量值和/或另外的测量值与化学计量的燃烧空气比的间距表示为在燃料中的可供使用的电子的数量。优选地，回归函数是在测量值和/或另外的测量值方面的单调递减函数。通过根据本发明的构型，可以以在测量仪器方面的有利的少的花费有利地简单地、快速地且可靠地确定运行特征值。

19、除此之外，提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有至少一个、尤其是已经提到的燃料电池单元并且具有至少一个、尤其是已经提到的控制或调节单元，该控制或调节单元用于执行根据本发明的方法。“控制或调节单元”尤其应被理解为具有至少一个控制电子装置的单元。“控制电子装置”尤其应被理解为具有处理器单元并且具有存储器以及具有存储在该存储器中的运行程序的单元。优选地，燃料电池系统包括流体输送单元。燃料例如包括氢气、甲烷、乙醇、丙烷和/或其他碳氢化合物、尤其是烷烃。例如，燃料是天然气、天然气-氢气混合物、纯氢气或者类似物。可选地，燃料电池系统包括用于预处理和/或后处理含氧流体、燃料和/或废气的另外的部件。例如，燃料电池系统可以包括用于重整燃料的重整器、用于燃烧废气中的剩余燃料的后燃器、用于预加热燃料和/或含氧流体的热交换器或者类似物。优选地，燃料电池系统包括传感器单元，用于检测燃料电极输入温度、燃料电池温度、含氧流体在进入到燃料电池单元中时的进入温度、由燃料电池单元产生的电流和与该电流关联的电压、燃料电池系统的流动参数的和/或另外的运行参数的实际值。在燃料电池系统的至少一种构型中，传感器单元包括λ探针和/或另外的λ探针。通过根据本发明的构型，可以提供如下燃料电池系统：该燃料电池系统包括有利地大的动态范围。

20、在此，根据本发明的方法和/或根据本发明的燃料电池系统不应局限于上文所描述的应用和实施方式。尤其是，为了实现在这里描述的作用原理，根据本发明的方法和/或根据本发明的燃料电池系统可以具有与各个元件、构件和单元以及方法步骤的在这里提到的数量不同的数量。此外，对于在本公开内容中表明的数值范围，处在所提到的极限内的值也应被视为已公开且能够任意使用。